Как самолет спроектирован так, чтобы быть устойчивым в продольном направлении?

Мой короткий ответ:

• Стабильность контролируется перемещением центра тяжести (ЦТ).
• В справочнике должны быть указаны пределы центра тяжести. Более передний ЦТ означает более стабильный самолет.
• Смещение его за нейтральную точку делает самолет неустойчивым, поэтому движения от балансируемого состояния ускоряются. Однако на сверхзвуковой скорости этот самолет снова станет устойчивым.
• Самолеты со сложным компьютерным управлением могут искусственно повышать устойчивость, поэтому они ведут себя как устойчивый самолет на всех скоростях.

Для длинного ответа позвольте мне сначала уточнить термины:

Статическая устойчивость — это тенденция системы возвращаться в свое прежнее состояние после того, как она была нарушена. Возьмем маятник: если потянуть его в сторону, он вернется к середине. В конце концов.

Динамическая устойчивость — это тенденция колебательной системы к затуханию колебаний с течением времени. Возьмем тот же маятник: он будет качаться из стороны в сторону, а трение будет обеспечивать это с все меньшей амплитудой.

Теперь нам нужно добавить размеры, все три из них: тангаж, крен и рыскание. Самолет может быть устойчивым в одном измерении и неустойчивым в другом. Ваш вопрос я понимаю так, что Вы спрашиваете о статической устойчивости по тангажу (или продольной устойчивости) истребительной авиации.

Wright Flyer был нестабилен в продольном направлении (подробнее см. Здесь ). Как только авиаконструкторы узнали, что самолет можно заставить летать стабильно, и поняли, что это имеет огромное значение для обучения пилотов, статическая устойчивость стала требованием для новых самолетов. Когда в Европе разразилась война, британские войска были оснащены превосходным учебным самолетом , но он был настолько устойчив, что потребовались усилия и время, чтобы убедить его изменить курс. Их расстреливали толпами.

Отныне низкая устойчивость стала первоочередным требованием к истребителям и пилотажным самолетам. Статическая устойчивость пропорциональна силам управления (точнее: шарнирному моменту соответствующей поверхности управления), поэтому снижение устойчивости давало пилотам больше реакции на то же усилие. Продольная статическая устойчивость измеряется как относительное расстояние между нейтральной точкой (NP) и центром тяжести (ЦТ). Подробнее см . здесь . Продольная статическая устойчивость достигается размещением ЦТ впереди НП. Смещение ЦТ назад дает вам более отзывчивый самолет, но также и тот, который легче беспокоить порывами ветра.

Это техника проектирования, о которой вы спрашивали. Довольно просто, правда?

При смещении ЦТ на корму НП устойчивость теряется, и самолет будет увеличивать отклонения от балансировочного состояния. Это может быть полезно, если вы хотите изменить большой угол и быстро. Неустойчивому самолету нужен только небольшой толчок, а остальную часть маневра он сделает сам.

Вот как это помогает в маневренности. Но еще полезнее уменьшить инерцию, особенно вокруг оси крена, для более быстрого отклика. Вот почему у всех боевых самолетов двигатели расположены ближе к центру.

Конечно, отрицательная стабильность неприемлема, когда вам нужно убрать руки с джойстика, чтобы достать карту или пописать во время длительного полета. Таким образом, без компьютерного управления пределом была позиция ЦТ рядом, но не позади НП.

Со сверхзвуковыми самолетами дело обстоит сложнее. Теперь самолет работает в двух режимах полета: в одном подъемная сила действует на четверти хорды крыла, а в другом — на средней хорде. Самолет с низкой статической устойчивостью становится очень устойчивым в сверхзвуковом полете, и поверхность хвостового оперения должна создавать большую прижимную силу, чтобы сумма всей подъемной силы оставалась там, где находится центр тяжести. Создание подъемной силы всегда влечет за собой штраф за сопротивление, и в сверхзвуковом полете его нужно платить дважды: один за избыточную подъемную силу на крыле (которая необходима для компенсации прижимной силы хвоста) и один за прижимную силу на хвосте. .

Использование компьютера управления полетом дает возможность позволить пилоту отпустить ручку управления без отклонения самолета от курса. Теперь стик управляет не отклонением руля высоты, а скоростью тангажа, а центр тяжести можно отодвинуть от примерно 12% MAC (средняя аэродинамическая хорда) до -2%. Если вы сравните площади крыльев устойчивых и неустойчивых реактивных самолетов (яркими примерами являются Jaguar и Mirage F-1), вы увидите, как многого можно добиться, просто вернувшись с ЦТ на несколько процентов хорды крыла.

Обычный вариант SEPECAT Jaguar и CCV (рисунок из книги Рэя Уитфорда «Основы проектирования истребителей»). Обе конфигурации имеют одинаковые аэродромные и боевые характеристики!

Эти самолеты неустойчивы без компьютерного управления на дозвуковой скорости. Само по себе это не является преимуществом (для лучшей маневренности это помогает больше уменьшить инерцию, как объяснялось выше), но резко снижает дифферентное сопротивление на сверхзвуковой скорости. В сверхзвуковом полете такой самолет все еще устойчив, но значительно меньше, чем тот, который также устойчив на дозвуковой скорости. Это означает, что на крыльях требуется меньшая подъемная сила, а на хвосте создается меньшая прижимная сила, поэтому сопротивление обеих поверхностей мало, и их размер также можно уменьшить, что приводит к эффективному кругу экономии сопротивления.